почему в двигателях так много неиспользуемой мощности?

Извините, что отвечаю на свой же вопрос, но теперь мне всё ясно, по крайней мере в отношении неэлектрических двигателей. У них так много неиспользуемой мощности, потому что на холостом ходу вы получаете лишь малую часть заявленной мощности. Двигатель 2,4 л Camry на холостом ходу (1000 об/мин) выдаёт всего 30 л. с., а на 5000 об/мин (около 48 км/ч, судя по видео с приборной панели во время теста на ускорение) — всего 140 л. с.

Дизельный двигатель V8 развивает полную мощность в 200 л. с. всего при 2500 об/мин, что объясняет, почему в нём не используется двигатель увеличенного объёма, как в бензиновых автомобилях, чтобы компенсировать низкую мощность на низких оборотах.

Чтобы понять, какая мощность вам нужна, если бы у вашего двигателя была идеально ровная кривая мощности, я изучил результаты теста на ускорение Toyota Camry LE 2008 года
2,4 л, 158 л. с., который разгоняется от 0 до 96 км/ч за 8,5 с. Для идеального двигателя с постоянной мощностью скорость = √(2 * мощность * время / масса), поэтому для такого же ускорения вам понадобится двигатель мощностью всего 86 л. с.

Но теперь возникает новый вопрос. Если у электродвигателей такой хороший диапазон мощности, то зачем им столько лошадиных сил? Кроме того, почему крутящий момент не меняется при 0 оборотах в минуту, а не стремится к бесконечности, как в идеальном двигателе? Связано ли это с насыщением магнитов?

Вот графики зависимости крутящего момента от частоты вращения

1. 2,4-литровая Camry 2009 года

2. Дизельный двигатель V8 6,5 л (Hummer H1)

3. Тяговый двигатель Tesla Model S (найден где-то на сайте cleantechnica.com)

Обновить:
Как отметил DucatiKiller, я не учитывал вес или размер двигателя, что может объяснить, почему у некоторых типов двигателей такая высокая мощность в лошадиных силах. Если стоимость двигателя с фиксированным весом/размером (например, бензинового двигателя для модели самолёта мощностью 1/2 л. с.) невелика или предельные затраты на увеличение мощности в лошадиных силах незначительны, то создание двигателя с повышенной мощностью не потребует больших дополнительных затрат.

Вот оценки соотношения мощности и веса различных двигателей:

1. 2,4-литровая Camry 2009 года

   
   
   

   158 л. с. / 121 кг = 1,3 л. с./кг




2. Дизельный двигатель Detroit Diesel 6,5 л

   
   
   

   200 л. с. / 750 фунтов = 0,59 л. с./кг




3. Тяговый двигатель Tesla Model S

   
   
   

   400 л. с. / 70 фунтов = 12 л. с. на кг

   
   
   

   с батарейками, иначе будет нечестно:

   
   
   

   400 л. с. / (70 фунтов + 540 кг) = 0,70 л. с. на кг

Зачем нужна дополнительная мощность двигателя? Если для скорости 50 миль в час требуется 35 лошадиных сил, а у вас есть только они, то разгон до этой скорости займёт очень много времени — возможно, несколько минут.

Кроме того, людям нравится дополнительная мощность, которая придаёт автомобилю спортивный вид: быстрое ускорение, когда вам это нужно, и отсутствие необходимости сильно нажимать на педаль газа при подъёме в гору и т. д. Вы заметите, что Camry на самом деле использует значительную часть доступной мощности. Я бы сказал, что иногда она использует не менее 50 % (например, при ускорении на подъёме с полным салоном), а в зависимости от водителя — и все 100 % (например, при обгоне).

Почему Camry более экономична? Похоже, люди упускают из виду один ключевой момент: Humvee на одну метрическую тонну тяжелее (а значит, у него гораздо больше сопротивления качению) и имеет аэродинамику кирпича. Если говорить о цифрах, Википедия приводит коэффициент аэродинамического сопротивления Hummer H2, равный 0,57, и Toyota Camry 2007 года с коэффициентом 0,27. Таким образом, коэффициент аэродинамического сопротивления увеличивается более чем в два раза, и это без учёта большей площади поперечного сечения у «Хамви». А если у вас наверху сидит стрелок, то будет ещё хуже!

Таким образом, если установить двигатель Humvee в Camry, расход топлива значительно снизится по сравнению с оригинальным Humvee.

Основная проблема здесь в том, что вы смешиваете несколько разных терминов. См. Википедию для расчёта мощности в лошадиных силах на основе крутящего момента (tau) и числа оборотов в минуту (f в этом уравнении):

Если предположить, что кривая крутящего момента плоская, то можно увидеть, что пиковая мощность будет продолжать расти с увеличением числа оборотов в минуту. На самом деле, если вы хотите увеличить маркетинговую мощность нового автомобиля, вам нужно просто поднять ограничитель оборотов и следить за тем, чтобы крутящий момент не падал быстрее, чем на один фут-фунт на оборот. Кроме того, можно заметить, что скалярные значения мощности и крутящего момента (то есть без единиц измерения) всегда будут равны при 5252 оборотах в минуту.

1. Может ли кто-нибудь предположить, как выглядят графики зависимости крутящего момента от частоты вращения для двигателя седана и двигателя Humvee
и каковы типичные рабочие
точки? Кажется, что двигатель Humvee будет работать гораздо ближе
к своей максимальной мощности при более низких оборотах, но с гораздо более высоким
крутящим моментом?

Как уже отмечалось ранее, дизельный двигатель в HMMWV имеет высокий пиковый крутящий момент на низких оборотах, но крутящий момент быстро падает, в результате чего пиковая мощность достигается на более низких оборотах, чем у Camry (190 л. с. при 3400 об/мин / 510 Н·м при 1700 об/мин, согласно странице в Википедии). У атмосферной Camry гораздо более пологая кривая крутящего момента с пиком крутящего момента ближе к 4700 об/мин и пиком мощности на 6200 об/мин (если предположить, что мы обсуждаем довольно новую Camry SE с двигателем 2GR-FE).

Если вернуться к исходному уравнению, то получится, что первая производная кривой крутящего момента Camry равна нулю при 4700 об/мин и отрицательна при 6200 об/мин (где скорость снижения крутящего момента в конечном счёте превышает линейное увеличение оборотов).

2. Если максимальная мощность никогда не используется в легковых автомобилях, почему бы не установить двигатель меньшего объёма и не сэкономить немного денег?

Так и есть. Ты просто не купился на это.

Гражданские двигатели и автомобильная конструкция разрабатываются с учетом определенных маркетинговых требований. В данном случае у Camry широкий диапазон крутящего момента и мощности, поэтому нет необходимости часто переключать передачи (более двух переключений для достижения скорости 96 км/ч влияют на этот важный маркетинговый показатель — время от 0 до 60 км/ч). У военных транспортных средств совершенно другие параметры, включая такие факторы, как простота обслуживания, системы вооружения, устойчивость к взрывам и так далее.

Если для вас ключевым фактором является экономичность, вы можете выбрать двигатель меньшего объёма. Сейчас каждый производитель предлагает двигатели разного объёма и с разными технологиями. В текущей модели Camry SE есть четырёхцилиндровый рядный двигатель меньшего объёма, четырёхцилиндровый гибридный двигатель и более мощный двигатель V6.

Тем не менее бензиновому двигателю практически невозможно превзойти турбодизельный по расходу топлива.

В вашем вопросе есть несколько несвязанных между собой моментов:

• как сказал jmosrt253, двигатель Humvee — это большой дизельный двигатель, а значит, его крутящий момент невысок на низких оборотах


• Двигатели Humvee, как и многие другие крупные дизельные двигатели, не отличаются высокой точностью настройки. Они созданы для того, чтобы быть надёжными и работать в экстремальных условиях


• До определённого момента мощность не влияет на скорость. Она влияет на ускорение. Практически все современные автомобили могут развивать скорость до 80 км/ч, но хотите ли вы, чтобы машина разгонялась до этой скорости за 3 или за 12 секунд? (Чем выше скорость, тем больше мощности нужно для компенсации сопротивления, поэтому только самые мощные автомобили могут развивать скорость до 320 км/ч)


• Максимальная мощность используется в легковых автомобилях, когда она вам нужна, но когда она вам не нужна, вы убираете ногу с педали газа и мгновенно экономите деньги, так как в двигатель поступает меньше топлива. Некоторые современные двигатели также прекращают подачу топлива в половину цилиндров при движении по инерции

Решающим фактором при выборе объёма двигателя всегда была стоимость топлива, поэтому в США, где топливо дешёвое, расход топлива не был проблемой — отсюда и большие, неэффективные двигатели. Сравните это с Великобританией, Европой и Японией, где топливо очень дорогое, а производители выпускают высоконастроенные, высокоэффективные двигатели небольшого объёма.

Я не смог найти график зависимости мощности от частоты вращения для Humvee, но в интернете есть данные для обычных автомобилей.

Отвечаю на ваш вопрос: «Почему моя Camry расходует меньше топлива, чем Humvee?»

Двигатель Camry гораздо более эффективен: вы получаете гораздо большую мощность при гораздо меньшем расходе топлива.